アプリケーション

可変周波数ドライブ（VFD）は、工業および自動車分野で広く使用されています。この主要技術は、半導体スイッチを使用した高周波パルス幅調変（PWM）です。主に2レベルインバータが、4〜16 kHzの範囲のスイッチング周波数で動作し、モーターを駆動するために3相正弦波基本電圧または電流を生成します。400V以上の母線電圧の場合、IGBTがアプリケーションで主流となっています。ワイドバンドギャップのSiC MOSFETの登場により、その優れたスイッチング性能がモータードライブ開発において大きな注目を集めています。SiC MOSFETは、Si IGBTと比較して約70%のスイッチング損失を削減できたり、ほぼ3倍のスイッチング周波数で同じ効率を達成できます。SiC MOSFETは抵抗のように振る舞い、IGBTのPN接合電圧降下がないため、特に軽負荷時に伝導損失を低減します。より高いPWM周波数とモータードライブの基本周波数が実現可能であるため、極数が多いモーターの設計が可能となり、モーターの小型化が図れます。出力パワーが同じ場合、8極モーターは2極モーターのサイズを40%削減できます。高いスイッチング周波数により、高密度なモーター設計が可能となります。これらの性能は、SiC MOSFETが高速、高効率、高密度モータードライブ応用における大きな可能性を持っていることを示しています。Tesla Model 3でのSiC MOSFETの成功的な応用は、SiCベースのモータードライブ時代の始まりを象徴しています。特に800Vバッテリーベースの車両や産業用ハイエンド応用において、SiC MOSFETが自動車トラクション応用を支配する傾向は強まっています。

SiC MOSFETの恩恵を完全に活用するためには、スイッチング速度（dv/dt）とスイッチング周波数を現在のIGBTベースのソリューションよりも1桁以上上げる必要があります。SiC MOSFETの大きなポテンシャルにもかかわらず、このデバイスの応用は現在のモータ技術や駆動システム構造によって制限されています。多くのモータは高い巻線インダクタンスと大きな寄生容量を持っています。モータとインバータを接続する3相ケーブルは基本的にLC回路を形成します。図に示すように、インバータ出力での高いdv/dt電圧はこのLC回路を励起し、モータ端子での電圧スパイクはインバータ出力電圧の2倍近くまで共振することがあります。これはモータ巻線に显著な電圧ストレスを加えます。

インバータをモーターに直接取り付けると、ケーブルの電圧リングはもはや存在しません。しかし、図に示すように、高dv/dtの電圧変化がコイルに直接作用し、これはコイルの寿命短縮を加速させる可能性があります。さらに、高dv/dtの電圧はベアリング電流を誘発し、ベアリングの摩耗や早期故障を引き起こすことがあります。

別の潜在的な問題として、EMI（電磁妨害）があります。高dv/dtと高di/dtは、より高い電磁妨害を誘発する可能性があります。すべての設計において、IGBTベースのソリューションだけでなく、SiCベースのソリューションに対してもこれらの影響を考慮する必要があります。

これらの問題を軽減するために、さまざまな技術が開発されています。モーターとインバータ駆動装置を分離する必要がある場合、dv/dtエッジフィルタまたは正弦波フィルタが有効な解決策となりますが、若干のコスト増加は避けられません。IGBTインバータが商業的に利用可能になって以来、モーター自体の設計も改善されてきました。絶縁性能の向上した磁気ワイヤーや、改良されたモーターコイルの巻き構造およびシールド方法により、モーターのdv/dt耐性は当初の数V/nsから大幅に向上し、最終的には40-50V/nsの目標に到達するでしょう。SiCベースのインバータは非常に効率が良く、40kHzでは通常98.5%、20kHzでは99%の効率に達します。ドライバ損失のおかげで、統合型モータードライブが実現可能となり魅力的なシステムソリューションとなっています。これにより、すべてのケーブルや端子接続が不要になり、システムサイズとコストが削減されます。完全に閉じられたインバータドライバとモーターは、EMI放射を低減する効果的な方法です。ベアリング電流は、接地されたスプリングまたはブラシを使用してモーターのシャフトをステータにショートすることで回避できます。コンパクトで高効率、軽量かつ統合されたモータードライブは、産業用ロボット、空中および水中ドローンなどに広く使用されています。

駆動システムの小型化に加え、SiC MOSFETは高速駆動も可能にします。高速駆動は自動車、航空宇宙、スピン们ル、ポンプおよびコンプレッサー分野でますます注目を集めています。一部の上述のアプリケーションでは高速駆動が最先端技術となりつつある一方で、ニッチなアプリケーションにおいては、高速駆動の採用により製品品質や製品革新の面での性能と能力が向上しています。

統合型駆動アプリケーション

滑らかな正弦波駆動を提供するには、VFDのスイッチング周波数が交流電流の周波数の少なくとも50倍以上である必要があります。したがって、スイッチング周波数、極対数、モーター速度の関係は次の通りです：

f_PWM = 50∙ 極対数 ∙ rpm /60

つまり、一般的な4極モーターの場合、10krpmに到達するにはf_PWMを16.6kHzにする必要があり、これはおよそIGBTの最大スイッチング周波数です。したがって、10krpmを超えるモータ速度では、SiC MOSFETが好ましい選択肢または唯一の有効な選択肢となります。モータの出力密度を向上させるためには、通常極対数を増やしますが、これにはさらに高いPWMスイッチング周波数が必要です。SiCの応用は、新たなモータ設計の改善と革新を促進するでしょう。